CN202102631U - 一种地质埋存条件下co2迁移物理模拟平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种地质埋存条件下CO₂迁移物理模拟平台，它包括模型系统，模型系统上端通过阀门连接有注入驱替系统和真空控制系统，注入驱替系统下端通过阀门连接有回压控制系统，回压控制系统下端设有出口计量系统。本实用新型结构简单，实现了对CO₂地质埋存过程的模拟，精确的计算出岩石样品的残余水饱和度参数和岩石样品在地下水逆流后被圈闭的CO₂饱和度参数。

Description

一种地质埋存条件下CO2迁移物理模拟平台

技术领域

本实用新型涉及一种实验模型，尤其涉及一种地质埋存条件下CO2迁移物理模拟平台。 

背景技术

如何减少大气中CO2的排放量以减轻温室气体效应已经是人类面临的重大科学问题，实施CO2捕集及地质埋存(也称封存或储存)是目前大多数科学家公认的解决方法之一，开展CO2地质埋存研究具有广泛的科学和社会意义。CO2地质埋存就是把从集中排放源(如火力发电厂，钢铁厂等)分离得到的CO2注入地下深处具有适当封闭条件的地层中埋存起来。一般认为可能的地质埋存方式包括利用衰竭油气藏进行埋存、把CO2注入油气藏以提高石油采收率同时实现CO2埋存、把CO2注入地下深部不可开采煤层、或把CO2注入地下深部咸水含水层等。据政府间气候变化委员会估计，世界范围内CO2地质埋存潜力巨大，深部咸水含水层埋存潜力最大，其次为油气藏，再次为不可开采煤层。一般认为CO2地质埋存地点应该具备如下特点：(1)位于地质构造稳定地区，地震、火山、活断层不发育，所埋存的二氧化碳向大气泄漏的可能性很小；(2)储层的孔隙性和渗透能力达到一定的高度，这样能够达到一定的容量同时能够顺利注入；(3)储层上面覆盖有隔水层(盖层)，形成一个相对密封的条件。除此之外还要求地层埋深达到一定值(通常超过800m)，地层具有较低的地热增温梯度，这样储层压力超过二氧化碳的临界值(临界点31.1℃，7.38Mpa)，二氧化碳能够达到一定的密度。 

我国盆地分布众多，在众多的盆地中分布着大范围的碳酸盐岩地层，许多地层中都埋藏着丰富的油气或咸水，初步判断具备进行CO2地质储存的条件。目前国内对CO2地质埋存的研究还处于起步阶段，尤其对国内具有CO2地质埋存条件的盆地的埋存量评估，还未有人系统的做过研究。 

发明内容

本实用新型为了克服现有技术的不足，而提供的一种结构和控制简单，制造成本低，能够高效、准确地模拟CO2注入地下的地质埋存过程，并得出影响CO2地质埋存量的参数的地质埋存条件下CO2迁移物理模拟平台。 

本实用新型采用的技术方案： 

它包括模型系统，模型系统上端通过阀门连接有注入驱替系统和真空控制系统，注入驱替系统下端通过阀门连接有回压控制系统，回压控制系统下端设有出口计量系统，所述注入驱替系统包括CO₂注入驱替系统和液体注入驱替系统，所述的CO₂注入驱替系统包括CO₂气源，CO₂气源管路上设有CO₂泵，CO₂泵下端连接有密闭缓冲室，密闭缓冲室通过管路与模型系统连接，所述CO₂泵具有变频器和压力数显仪表；所述的液体注入驱替系统包括液体源(5)，液体源上设有液体泵，液体泵通过阀门与液体容器连接，液体容器另一端与模型系统连接；所述的真空控制系统包括真空泵和真空容器；所述模型系统包括内部的模型管和外侧的夹持管，夹持管具有环压控制系统；所述的实验模型具有温度控制系统。 

进一步，上述的出口计量系统包括气液分离器，气液分离器上端设有气体流量计，气液分离器下端设有液体质量计，所述的液体质量计包括电子天平和电子天平上设置的液体容器。 

进一步，上述的回压控制系统包括回压阀、回压容器和控制泵。 

进一步，上述的温度控制系统为恒温箱。 

进一步，上述的液体为水、油或其它有机液体。 

进一步，上述的模型管包括短模型管和长模型管。 

利用上述物理模拟平台进行超临界CO₂驱替液体的实验方法，它包括如下步骤： 

(1)将已知孔隙度岩样用液体饱和后，放入夹持器中，打开回压控制系统，将回压阀设置在8Mpa，并通过温度控制系统将实验模型温度控制在40℃，维持8h以上，确保岩样和液体容器内的液体温度均匀的稳定在设定温度，温度稳定后，通过液体泵向夹持器内注入液体，使夹持器内的压力保持在8Mpa左右，并关闭模型系统的入口、出口端阀门； 

(2)通过CO₂泵以恒定压力将CO₂注入缓冲罐中，使缓冲罐内压力达到12Mpa，让CO₂处于超临界状态，并使缓冲罐压力保持恒定在12Mpa； 

(3)打开夹持器入口端阀门，使CO₂注入岩样中，同时记录夹持器入口、出口处的压力及出口气体流量，流出液体质量，待夹持器入口、出口处的压力及出口气体流量恒定，流出液体质量保持不变，继续驱替2小时以上； 

(4)关闭夹持器入口、出口阀门，撤掉回压，使其变为0Mpa，打开夹持器 出口阀门，使气体缓慢流出。 

(5)待流出气体体积和液体质量不变后，将岩样从夹持器中取出称重，得到其质量m₂。 

(6)根据 

计算残余液体饱和度，其中m₀为岩样干重，m₁为液体饱和时候岩样的质量。 

利用上述物理模拟平台进行液体驱替超临界CO₂的实验方法，它包括如下步骤： 

(1)将已知孔隙度岩样用液体饱和后，放入夹持器中，打开回压控制系统，将回压阀设置在8Mpa，并通过温度控制系统将实验模型温度控制在40℃，维持8h以上，确保岩样和液体容器内的液体温度均匀的稳定在设定温度，温度稳定后，通过液体泵向夹持器内注入液体，使夹持器内的压力保持在8Mpa左右，并关闭模型系统的入口、出口端阀门； 

(2)将岩样饱和液体或模拟地层液体，后用CO₂气体进行驱替，当夹持器入口、出口处压力及流量稳定后，继续驱替，流出液体质量保持不变，继续驱替2小时以上，关闭缓冲罐出气阀门，停止注气； 

(3)打开液体容器出液阀门及液体泵，以恒定流速将液体注入岩样中，进行恒流驱替，记录上下流压力及出口气、液流量； 

(4)待压力及流量稳定后，继续驱替5倍以上孔隙体积的液体后，待出口端气体流量为零时，关闭液体容器出液阀门和夹持器出入口端阀门； 

(5)撤掉回压，使其变为0Mpa，打开夹持器出口阀门，使CO₂气体缓慢流出，记录流出气体总体积V₂，根据V₂换算成系统实验压力温度下的CO₂体积V₃； 

(6)根据 

计算残余CO₂饱和度，其中，m₀为岩心干重， 

m₁为液体饱和岩样质量，ρ为实验条件下水的密度，即为992.2kg/m³。 

本实用新型取得的技术效果：利用水文地质学、流体力学等原理，实现了对CO2地质埋存过程的模拟，精确的计算出岩石样品的残余水饱和度参数和岩石样品在地下水逆流后被圈闭的CO2饱和度参数，并为此方法制造了实现该方法的装置，该装置具有结构紧凑、设计合理、简单可靠，全程计算机记录和控制，支持 无人值守，整个设备运输安装连接非常便利，运抵目的地接上辅助管道就可立即运行，免除了土建等工程。 

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图； 

图2为本实用新型的控制流程图。 

其中，1-CO₂泵、2-缓冲室、3-变频器、4-压力数显仪表、5-液体源、6-液体泵、7-液体容器、8-真空泵、9-真空容器、10-长模型管、11-气液分离器、12-气体流量计、13-电子天平、14-液体回收器、15-回压阀、16-回压容器、17-控制泵、18-短模型管。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。 

参见图1-2，一种地质埋存条件下CO2迁移物理模拟平台，它包括模型系统，模型系统上端通过阀门连接有注入驱替系统和真空控制系统，注入驱替系统下端通过阀门连接有回压控制系统，回压控制系统下端设有出口计量系统，所述注入驱替系统包括CO₂注入驱替系统和液体注入驱替系统，所述的CO₂注入驱替系统包括CO₂气源，CO₂气源管路上设有CO₂泵1，CO₂泵下端连接有密闭缓冲室2，密闭缓冲室通过管路与模型系统连接，所述CO₂泵具有变频器3和压力数显仪表4；所述的液体注入驱替系统包括液体源5，液体源可以为水、油或其它有机液体，液体源上设有液体泵6，液体泵可以选用平流泵，液体泵通过阀门与液体容器7连接，液体容器另一端与模型系统连接；所述的真空控制系统包括真空泵8和真空容器9；所述模型系统包括内部的模型管和外侧的夹持管，模型管根据需要可以制作短模型管18和长模型管10两种型号，每次试验可以选用其一。夹持管具有环压控制系统；所述的实验模型具有温度控制系统，温度控制系统可选用恒温箱，缓冲室、模型心痛、液体容器等需要放在恒温箱内。所述的出口计量系统包括气液分离器11，气液分离器上端设有气体流量计12，气液分离器下端设有液体质量计，所述的液体质量计包括电子天平13和电子天平上设置的液体回收器14。所述的回压控制系统包括回压阀15、回压容器16和控制泵17。 

CO₂气源可以为气体状，也可以为液体状，气体状直接用气泵输送到缓冲室内，如果是液体状就需要将气态CO₂经制冷变成液态的CO₂并储存在贮罐中，这 样就需要CO₂钢瓶、低温浴槽、CO₂冷却盘管、液态CO₂贮罐等辅助设备。液态CO₂贮罐：容积1000mL，设计压力16MPa，数量1套，带水夹套。CO₂调频泵：最大流量为1L/h(17mL/min)，32MPa，流量可通过变频器变频调速，并通过压力传感器、压力数显二次仪表、压力反馈控制电路、缓冲罐等组成稳压系统，压力传感器可以选用：量程25MPa，精度0.25％FS，数显二次仪表：带压力上下限控制，可设定所需的控制压力，压力反馈控制电路：可根据数显二次仪表设定的上限压力，反馈控制CO₂调频泵的变频器的频率，通过改变变频器的频率来改变泵的流量达到调整压力的目的，缓冲罐：容积2000mL，压力32MPa。 

液体泵：为试验提供动力源，可以选用平流泵，工作压力：20MPa，流量：0-20ml/min，数量1台。液体容器可以选用活塞式容器：型号：ZR-3型，工作压力：20MPa，容积：3000mL，2套。 

夹持器：采用TY-2C型岩心夹持器，规格φ50×200可调，驱替20MPa，环压25MPa，用于圆柱型天然岩样或人造岩样，该型号的夹持器结构形式具有以下特点：由于采用外螺纹结构形式，使其具有体积小、重量轻，死体积小，拆卸方便，实用性强，耐压高等特点。模型管：有φ50×100mm、φ50×1000mm两种规格，工作压力：20MPa、工作温度：120℃，内壁打毛。夹持器配套有环压系统：其由环压控制泵、环压表等组成。回压系统：1套，由回压容器、回压表、回压阀等组成，最大工作压力40MPa。 

阀门可以采用，手动控制阀，手动控制阀采用了内卡套式结构，适合φ3、φ6管线的接口。最大工作压力可达50MPa。模型前端CO2注入为φ6管线，模型至后端为φ3管线。管线：管线采用316L材料，管路流程的连接结构紧凑，管线折弯美观大方，拆卸方便。 

出口计量系统：主要由气液分离器、湿式气体流量计、电子天平等组成，气液分离器：容积2L，常压，用于气液分离，湿式气体流量计：主要用于计量出口的气量大小，电子天平：量程1000g，精度0.01g。 

温度控制系统：温度控制采用恒温箱空气浴加热，模型恒温箱工作室尺寸为1400×900×700(也可根据用户要求)，温度范围：室温-120℃，采用数显自动控温，精度±1℃，采用精密控温仪，带PID调节，热风对流循环，内表采用δ＝1.0mm不锈钢钢板制作，外表喷塑。 

抽真空系统，由真空泵、缓冲容器、真空表等组成，可对流程、夹持器抽真空。可以选用2ZX-2真空泵，抽气速率2升/秒。 

本发明还配套有数据采集系统、微机测控系统、主机系统和压力测试系统等。数据采集系统包括压力、温度、天平等，为了保证测量精度和控制的可靠性，采用进口MOX C168H数字采集控制卡，从而实现数字化采集传输。软件在WINDOWS2000/XP环境下运行，采用VB语言编程。该软件由两部分组成：一个运行于工控机的监控软件，负责现场数据采集处理和试验过程的直接控制，包括数字I/O，模拟量I/O，试验过程逻辑判断、控制，并负责与仪表、恒速恒压泵的通讯，并下发操作指令。另一个运行于微机的界面操作软件，可实现人机对话。计算机可以自动采集所有压力、温度、流量等。计算机采集的数据经处理可生成原始数据报表，分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件格式以便用户灵活使用。压力测试系统：采用高精度的压力传感器，精度可达到0.25％F·S，供电9～36V，输出0～5V。压力传感器的量程分别为：20MPa、10MPa，其中20MPa为夹持器的上流压力传感器。10MPa为下流压力传感器。压力传感器数量共2套。主机系统：pentium4(4G)、17寸液晶彩显、160G硬盘，Hp1008打印机等外围设备。 

实施例2 

孔隙度测定实验 

实验目的：确定岩样孔隙度参数。 

实验原理：岩样在真空条件下，饱和已知密度的液体，并在一定压力下，使液体充分渗入岩石孔隙空间使之饱和，用称量法求出单位体积内所含的孔隙体积。 

实验步骤： 

(1)岩样预处理：钻取岩样、打磨、岩样清洗； 

烘样：将岩样放入温度控制在100～105摄氏度的控温烘箱中，烘8h后放入干燥器中待测； 

(2)将清洗烘干称重后的岩样放入电烘箱内，在105℃下预热30min； 

(3)将已预热的岩样置于岩心夹持器内，并加一定环压、回压后，对岩样进行抽真空处理，时间持续5h以上，用真空计检测，真空度应达到6.67×10^-2pa； 

(4)关闭真空泵，向夹持器内注蒸馏水，待上下流压力及流量稳定后(此时 可以认为注入水能够持续，稳定通过岩样)，关闭夹持器出口处阀门，继续注入水，待夹持器入口处压力达到18Mpa，关闭入口处阀门，打开恒温箱设定温度为40℃，在设定温度下继续饱和岩样12h以上； 

(5)将岩心从岩心夹持器中取出称重，得到其饱和重量m₁。 

(6)根据下式1计算岩样的孔隙度。 

$\mathrm{\φ}=\frac{m_1-m_0}{\mathrm{\ρ\π}{r}^{2}h}.......................................1$

式中： 

φ为孔隙度，％； 

m₁为岩样饱和水后质量，g； 

m₀为岩样烘干后质量，g； 

r为岩样半径，cm； 

h为岩样长度，cm； 

ρ为水的密度，40℃时记为0.992g/cm³。 

质量要求：同一块岩样重复测定，相对偏差不得超出0.5％。 

实施例3 

渗透系数测定实验 

实验目的：模拟地层温度和压力下，岩样液体渗透率和渗透系数，从而定量研究地层条件下，液态流体在岩心中的渗透性。 

实验原理：将饱和蒸馏水岩样装入夹持器后，在不同压差下使蒸馏水通过岩样，待进出口压力和出口流量稳定后，记录夹持器入口、出口压力及渗透流速，绘制不同压差下的渗透流速与水力梯度关系曲线，曲线的斜率即为渗透系数。 

实验步骤： 

(1)将岩样饱和蒸馏水后，打开回压控制器，将回压设置在8Mpa。这样水流压力只有超过8Mpa时，才能通过岩样，从出口端流出，从而模拟实际的地下水流动，后将系统升温，通过恒温箱将系统温度控制在40摄氏度，维持8h以上，确保岩心和液体容器内的蒸馏水温度均匀的稳定在设定温度； 

(2)待系统温度稳定后，打开液体平流泵，以恒定的流量向岩心夹持器中注入液体，驱替5倍以上孔隙体积的水，并且岩心夹持器入口、出口处压力及出口液体流量稳定后，记录入口、出口压力及出口流量； 

(3)改变回压值，分别设定为0Mpa、7Mpa、8Mpa、9Mpa下，模拟不同水流压力，绘制渗透流速与水力梯度关系图，求出渗透系数，得到相应的渗透系数。 

实施例4 

超临界CO2驱替水实验 

实验目的：模拟CO₂构造圈闭过程，得出构造封存能力及残余水饱和度。 

实验原理：CO₂注入含水层后，若其遇到不渗透层则无法继续运移而滞留在不渗透层之下，驱替并占据地下水所占的岩石空隙空间，以超临界CO₂的形式被埋存，形成构造地层圈闭。然而，由于岩石空隙间毛细力的作用，赋存于岩石空隙中的地下水无法被CO₂完全驱替干净，以残余水的形式残存在岩石空隙空间。在评价构造封存能力时，必须考虑这部分残余水所占的岩石空隙空间，否则将会使评价结果偏大。本次试验在模拟地层温度和压力条件下，将超临界态的CO₂气体注入已饱和水或模拟地层水的岩心中，便可以模拟CO₂构造圈闭过程，并能够分析得到残留在岩石空隙中的水量，即残余水饱和度，进而更加准确地评价构造封存能力。 

残余水饱和度可由下式2计算得到： 

$s_{\mathrm{wrr}}=\frac{m_2-m_0}{m_1-m_0}...................................2$

式中：S_wrr为残余水饱和度； 

      m₂为岩心从加持其中取出后的质量； 

      m₀为岩心干重； 

      m₁为饱和岩心质量。 

实验步骤： 

(1)将已知孔隙度岩样用水饱和后，放入夹持器中，打开回压控制系统，将回压阀设置在8Mpa，并通过温度控制系统将实验模型温度控制在40℃，维持8h以上，确保岩样和水容器内的水温度均匀的稳定在设定温度，温度稳定后，通过 水泵向夹持器内注入水，使夹持器内的压力保持在8Mpa左右，并关闭模型系统的入口、出口端阀门； 

(2)通过CO₂泵以恒定压力将CO₂注入缓冲罐中，使缓冲罐内压力达到12Mpa，让CO₂处于超临界状态，并使缓冲罐压力保持恒定在12Mpa； 

(3)打开夹持器入口端阀门，使CO₂注入岩样中，同时记录夹持器入口、出口处的压力及出口气体流量，流出水质量，待夹持器入口、出口处的压力及出口气体流量恒定，流出水质量保持不变，继续驱替2小时以上； 

(4)关闭夹持器入口、出口阀门，撤掉回压，使其变为0Mpa，打开夹持器出口阀门，使气体缓慢流出。 

(5)待流出气体体积和水质量不变后，将岩样从夹持器中取出称重，得到其质量m₂。 

(6)根据 计算残余水饱和度，其中m₀为岩样干重，g，m₁为水饱和时候岩样的质量，g。 

实施例5 

水驱替超临界CO2实验 

实验目的： 

模拟毛细残余埋存过程，计算得出地下水回流后被圈闭的CO₂饱和度及毛细残余封存能力。 

实验原理：CO₂在地层运移的过程中，一部分CO₂会进入岩石颗粒的孔隙中。当地下水重新渗入CO₂占据的孔隙空间时，CO₂由于岩石颗粒间的毛细力做作用便被大量地束缚下来，以残余气的方式埋存。本次试验在地层压力和温度条件下，将蒸馏水通过事先饱和超临界CO₂的岩心，模拟CO₂毛细残余埋存过程。 

实验步骤 

(1)将已知孔隙度岩样用水饱和后，放入夹持器中，打开回压控制系统，将回压阀设置在8Mpa，并通过温度控制系统将实验模型温度控制在40℃，维持8h以上，确保岩样和水容器内的水温度均匀的稳定在设定温度，温度稳定后，通过水泵向夹持器内注入水，使夹持器内的压力保持在8Mpa左右，并关闭模型系统的入口、出口端阀门； 

(2)将岩样饱和水或模拟地层水，后用CO₂气体进行驱替，当夹持器入口、出口处压力及流量稳定后，继续驱替，流出水质量保持不变，继续驱替2小时以上，关闭缓冲罐出气阀门，停止注气； 

(3)打开水容器出液阀门及水泵，以恒定流速将水注入岩样中，进行恒流驱替，记录上下流压力及出口气、液流量； 

(4)待压力及流量稳定后，继续驱替5倍以上孔隙体积的水后，待出口端气体流量为零时，关闭水容器出液阀门和夹持器出入口端阀门； 

(5)撤掉回压，使其变为0Mpa，打开夹持器出口阀门，使CO₂气体缓慢流出，记录流出气体总体积V₂，根据V₂换算成系统实验压力温度下的CO₂体积V₃； 

(6)根据 

计算残余CO₂饱和度，其中，m₀为岩心干重，g，m₁为水饱和岩样质量，g，ρ为实验条件下水的密度，即为992.2kg/m³。 

本实用新型的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以进行各种改动和变形而不脱离本实用新型的范围和精神，比如把水换成油，或其它有机液体均可以。倘若这些改动和变形属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围内，则本实用新型的意图也包含这些改动和变形在内。 

Claims (6)

1.一种地质埋存条件下CO2迁移物理模拟平台，其特征在于：它包括模型系统，模型系统上端通过阀门连接有注入驱替系统和真空控制系统，注入驱替系统下端通过阀门连接有回压控制系统，回压控制系统下端设有出口计量系统，所述注入驱替系统包括CO₂注入驱替系统和液体注入驱替系统，所述的CO₂注入驱替系统包括CO₂气源，CO₂气源管路上设有CO₂泵(1)，CO₂泵下端连接有密闭缓冲室(2)，密闭缓冲室通过管路与模型系统连接，所述CO₂泵具有变频器(3)和压力数显仪表(4)；所述的液体注入驱替系统包括液体源(5)，液体源上设有液体泵(6)，液体泵通过阀门与液体容器(7)连接，液体容器另一端与模型系统连接；所述的真空控制系统包括真空泵(8)和真空容器(9)；所述模型系统包括内部的模型管和外侧的夹持管，夹持管具有环压控制系统；所述的实验模型具有温度控制系统。

2.根据权利要求1所述的地质埋存条件下CO2迁移物理模拟平台，其特征在于：所述的出口计量系统包括气液分离器(11)，气液分离器上端设有气体流量计(12)，气液分离器下端设有液体质量计，所述的液体质量计包括电子天平(13)和电子天平上设置的液体回收器(14)。

3.根据权利要求1或2所述的地质埋存条件下CO2迁移物理模拟平台，其特征在于：所述的回压控制系统包括回压阀(15)、回压容器(16)和控制泵(17)。

4.根据权利要求1或2所述的地质埋存条件下CO2迁移物理模拟平台，其特征在于：所述的温度控制系统为恒温箱。

5.根据权利要求1或2所述的地质埋存条件下CO2迁移物理模拟平台，其特征在于：所述的液体为水、油或其它有机液体。

6.根据权利要求1或2所述的地质埋存条件下CO2迁移物理模拟平台，其特征在于：所述的模型管包括短模型管(18)和长模型管(10)。

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